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方法文章

原位合成金纳米颗粒在层状钛酸盐透明薄膜层间空间中不发生聚集

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DOI:

10.3791/55169

2017年1月17日

本文内容

摘要

在此,我们介绍一种实验方案,用于 原位 在层状钛酸盐薄膜的层间空间内合成金纳米颗粒(AuNPs),且未发生AuNPs的聚集现象。即使放置4个月后也未观察到光谱变化。该合成材料在催化、光催化以及低成本等离激元器件的开发中具有应用前景。

摘要

金属氧化物半导体与金纳米颗粒(AuNPs)的组合已被研究作为新型材料。 原位 在半导体层状二氧化钛纳米片(TNS)薄膜的层间空间内合成金纳米颗粒(AuNPs)的研究在此展开。两种类型的中间薄膜(即, 含甲基紫精的TNS薄膜(TNS/MV)2+)和2-氨乙硫醇(TNS/2-AET+)) 制备完成。将两种中间薄膜浸入四氯金(III)酸(HAuCl4) 溶液,使大量 Au(III) 物种进入 TNS 薄膜的层间空间。随后将所得的两种薄膜浸入四氢硼酸钠(NaBH₄)水溶液中4)溶液中,薄膜颜色立即由无色变为紫色,表明金纳米粒子(AuNPs)在TNS层间形成。当仅使用TNS/MV时2+ 用作中间薄膜时,该薄膜的颜色在30分钟内逐渐由金属紫色变为暗紫色,表明金纳米颗粒(AuNPs)发生了聚集。相比之下,使用TNS/2-AET可抑制这种颜色变化。+ 中间薄膜,且AuNPs在超过4个月的时间内保持稳定,这由AuNPs的特征性消光(吸收和散射)峰所证实。

引言

多种贵金属纳米颗粒(MNPs)由于具有局域表面等离子体共振(LSPR)特性而呈现出特征性的颜色或色调;因此,MNPs可用于多种光学和/或光化学应用1-4近年来,金属氧化物半导体(MOS)光催化剂的组合,例如二氧化钛(TiO₂)2)和磁性纳米粒子(MNPs)作为新型光催化剂已得到深入研究5-14然而,在许多情况下,由于大多数MOS颗粒的比表面积相对较小,其表面存在的MNP数量非常有限。另一方面,层状金属氧化物半导体(LMOSs)具有光催化性能,并且比表面积较大,通常每克LMOS可达数百平方米15-17此外,多种层状金属氧化物具有插层特性(即, 各种化学物质可容纳于其可扩展且较大的层间空间中)15-20因此,通过将磁性纳米颗粒(MNPs)与介孔氧化物半导体(LMOSs)结合,有望使相对大量的磁性纳米颗粒与半导体光催化剂杂化。

我们已报道了首个 原位 铜纳米颗粒(CuNPs)的合成21 在LMOS(二氧化钛纳米片;TNS)的层间空间内16-30)透明薄膜,步骤非常简单。然而,其他贵金属MNPs和TNS杂化材料的合成过程细节及其表征尚未见报道。此外,TNS层内的CuNPs在常温环境下容易被氧化并褪色。21因此,我们重点关注了金纳米颗粒(AuNPs),因为AuNPs被广泛应用于各种光学、光化学和催化领域,且预期其对氧化具有相对较高的稳定性。3-5,7,8,10-14,28,31,32在此,我们报道了在TNS层间空间内合成AuNPs,并表明2-氨乙基硫醇(2-AET)+; 图1 插图)作为TNS层间AuNPs的保护试剂具有良好的效果。

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方案

注意:操作化学品和溶液时务必小心。应遵循适当的安全操作规程,并始终佩戴手套、护目镜和实验服。请注意,与相应的块体材料相比,纳米材料可能存在额外的危害。

1. 试剂的准备

  1. 通过将0.0012 g的1,1'-二甲基-4,4'-联吡啶二氯化物(甲基紫精;MV2+)溶于20 ml水中,配制0.2 mM MV2+的甲基紫精水溶液。
  2. 通过将0.1050 g的三水合四氯金酸(HAuCl4• 3H2O)溶于10 ml水中,配制25 mM HAuCl4的金(III)氯化物水溶液。
  3. 通过将0.03844 g的四氢硼酸钠(NaBH4)溶于10 ml水中,配制100 mM NaBH4的硼氢化钠水溶液。
  4. 通过将0.2985 g的2-铵乙硫醇盐酸盐(2-AET+)溶于25 ml水中,配制100 mM 2-AET+的2-铵乙硫醇水溶液。

2. TNS 胶体悬浮液的合成

注意:二氧化钛纳米片(TNS;Ti0.91O2)的制备参照先前报道的成熟方法进行22,23,30

  1. 通过将化学计量比的 Cs2CO3(0.4040 g)和 TiO2(ST-01;0.5000 g)混合物在 800 °C 下煅烧 20 小时来制备层状钛酸铯 Cs0.7Ti1.825O4 起始材料22。重复此步骤两次。
  2. 将 0.8142 g 钛酸铯与 HCl(100 mM,81.42 ml)水溶液在摇床(300 Hz)中处理 12 小时,反复进行该过程,以制备质子化的层状钛酸盐(H0.7Ti1.825O4·H2O)。
  3. 将质子化的钛酸盐粉末(0.0998 g)在避光条件下,于室温下与 25 ml 浓度为 17 mM 的四丁基氢氧化铵(TBA+ OH)水溶液剧烈搅拌(500 rpm)约两周,以制备剥离的层状钛酸盐(TNS)胶体悬浮液。所得乳光悬浮液含有剥离的二氧化钛纳米片(TNS;1.4 g/L,pH = 11~12)。

3. TNS薄膜的合成21

  1. 制备TNS浇铸薄膜(c-TNS)
    1. 使用超声波清洗器(27 kHz),在1 M的氢氧化钠(NaOH)水溶液中对玻璃基底(约20 × 20 mm2)进行超声预清洗30分钟。
    2. 用5–10 mL超纯水(<0.056 µS cm-1)冲洗基底。
    3. 将玻璃基底浸入0.1 M的盐酸(HCl)水溶液中3分钟,然后用5–10 mL超纯水冲洗。
    4. 在纯水中进行超声处理(27 kHz)清洗1小时,再用纯水冲洗,随后用吹风机干燥2–3分钟(直至完全干燥)。
    5. 将TNS胶体悬浮液以300 µL等分试样浇铸在玻璃基底上。
    6. 在60 °C的干燥烘箱中干燥2小时,得到c-TNS薄膜。
  2. 制备烧结TNS薄膜(s-TNS)
    1. 为实现TNS组分在玻璃基底上的热固定(s-TNS薄膜),将所得c-TNS薄膜在空气中以6.8 °C/min的升温速率从25 °C升至500 °C,然后在500 °C下烧结3小时。
    2. 重复烧结过程两次。
  3. 薄膜的制备
    1. 当s-TNS薄膜浸入溶液中时,在所有实验操作中应使沉积的s-TNS薄膜朝上放置。
    2. 用铝箔覆盖实验装置,在避光条件下进行所有实验,以避免TNS发生光反应。
  4. 制备甲基紫精(MV2+)插层TNS薄膜(TNS/MV2+
    1. 将s-TNS薄膜置于培养皿中,浸入甲基紫精二氯化物盐(MV2+)水溶液(0.2 mM,3 mL)中,在室温(RT)避光条件下反应7小时。
    2. 用超纯水(5–10 mL)冲洗所得样品,并在避光条件下于60 °C烘箱中干燥约1小时。
  5. 制备Au(III)插层TNS薄膜(TNS/Au(III))
    1. 将TNS/MV2+薄膜置于培养皿中,浸入氯金酸(HAuCl4)水溶液(25 mM,3 mL)中,在室温(RT)避光条件下反应3小时。
    2. 用超纯水(5–10 mL)冲洗所得样品,并在避光条件下于60 °C烘箱中干燥约1小时。
  6. 在TNS薄膜层间空间内合成金纳米粒子(AuNP)(TNS/AuNP)
    1. 将TNS/Au(III)薄膜置于培养皿中,浸入硼氢化钠(NaBH4)水溶液(0.1 M,5 mL)中,在室温(RT)避光条件下反应0.5小时。
    2. 将所得薄膜在避光条件下于60 °C烘箱中干燥约1小时。
  7. 制备2-AET+插层TNS薄膜(TNS/2-AET+
    1. 将s-TNS薄膜置于培养皿中,浸入2-AET+ Cl水溶液(0.1 M,3 mL)中,在室温(RT)下反应24小时。
    2. 用超纯水(5–10 mL)冲洗所得薄膜,并在避光条件下于60 °C烘箱中干燥约1小时。
  8. Au(III)与2-AET+共插层TNS薄膜(TNS/2-AET+/Au(III))
    1. 将TNS/2-AET+薄膜浸入氯金酸(HAuCl4)水溶液(25 mM,3 mL)中,在室温(RT)下反应3小时。
    2. 用超纯水(5–10 mL)冲洗所得薄膜,并在避光条件下于60 °C烘箱中干燥约1小时。
  9. 在TNS/2-AET+薄膜层间空间内合成金纳米粒子(TNS/2-AET+/AuNP)
    1. 将TNS/2-AET+/Au(III)薄膜置于培养皿中,浸入硼氢化钠(NaBH4)水溶液(0.1 M,5 mL)中,在室温(RT)避光条件下反应0.5小时。
    2. 用超纯水(5–10 mL)冲洗所得薄膜,并在避光条件下于60 °C烘箱中干燥约1小时。
  10. 表征
    1. 使用台式X射线衍射仪,在30 kV和15 mA条件下,采用单色化的Cu-Kα辐射(λ = 0.15405 nm)进行X射线衍射(XRD)分析21
    2. 采集能量色散X射线光谱(EDS)谱图21
    3. 采用多通道光电探测器或稳态紫外-可见(UV-Vis)吸收分光光度计,以透射模式记录所制备样品的UV-Vis吸收光谱21

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结果

本研究使用了两种类型的前驱体薄膜(即, 含和不含保护剂(2-AET)+)在TNS的层间内。在无2-AET的情况下+1,1'-二甲基-4,4'-联吡啶二氯化物(甲基紫精;MV)2+)被用作层间空间的扩增剂,因为MV2+含 LMOSs 常被用作客体交换法中制备 LMOSs 的中间体16,17,21,33-36.

不含2-AET+的AuNPs合成

为了获得Au(III)插层的TNS(TNS/Au(III))薄膜,需进行MV2+ 嵌入式TNS(TNS/MV)2+)21,24,25,27,29 将薄膜浸入 HAuCl 的水溶液中

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讨论

本文提供了一项详细的实验方案 原位 在TNS薄膜层间空间内合成金纳米颗粒(AuNPs)。这是首次报道该方法 原位 在TNS层间空间内合成AuNPs。此外,我们发现2-AET+ 在TNS层间作为AuNPs的有效保护试剂。这些方法将AuNPs与TNS透明薄膜复合。具有良好光学透明性的TNS薄膜21 通过烧结工艺(s-TNS薄膜)制备,具体步骤见方案部分。为彻底去除有机杂质,需重复进行烧结处理。若有机杂质残留,薄膜会呈现深灰色。本实验中通常进行两次烧结;但可根据需要增加重复次数。

我们成功利用两种中间薄膜合成了含金纳米颗粒的层状TNS薄膜即, TNS/MV2+ 和 TNS/2-AET+ 薄膜)。将两层中间薄膜浸入水相的 HAuCl4 溶液,且存在大量金物种(一个Au原子占据的空间为1.47–1.61 nm)2)被容纳在TNS薄膜的层间空间内。这表明MV2+ 和 2-AET+...

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披露

我们没有需要披露的内容。

致谢

本工作部分得到了日本板硝子财团材料科学与工程基金以及日本学术振兴会科学研究费补助金(挑战性探索研究资助,#50362281)的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
氯化甲基紫精Aldrich Chemical  Co., Inc.1910-42-5
氢氧化四丁基铵TCIT1685
碳酸铯关东化学株式会社07184-33
锐钛矿型二氧化钛石原产业株式会社ST-01
盐酸纯粹化学株式会社20010-0350
氢氧化钠纯粹化学株式会社195-13775
三水合氯金酸(III)关东化学株式会社17044-60
四氢硼酸钠纯粹化学株式会社39245-1210
2-氨基乙硫醇盐酸盐TCIA0296
超纯水(0.056 µS/cm)Milli-Q 水净化系统(Direct-Q® 3UV, Millipore)
显微镜载玻片(厚度:1.0–1.2 mm)松内玻璃株式会社

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四氯金酸硼氢化钠甲基紫精2-氨乙基硫醇能量色散X射线X射线衍射玻璃基底